Capitulo 4 (06-12-2008 ) AM PDF

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚDEPARTAMENTO DE INGENIERÍASECCIÓN INGENIERÍA MECÁNICAMÉTODOS DE DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICAPROYECTO PRELIMINARCAPITULO 4BENJAMÍN BARRIGA GAMARRALIMA, SETIEMBRE DEL 2014FASE III ELABORACIÓN DEL PROYECTO: Proyecto preliminar ELABORACIÓN DEL PROYECTO Determinar...

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA SECCIÓN INGENIERÍA MECÁNICA

MÉTODOS DE DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA PROYECTO PRELIMINAR

CAPITULO 4

BENJAMÍN BARRIGA GAMARRA

LIMA, SETIEMBRE DEL 2014

1

FASE III ELABORACIÓN DEL PROYECTO: Proyecto preliminar

3. CONCEPTO DE LA SOLUCIÓN Elaboración del Concepto: Determinar el Concepto

Concepto de Solución Óptimo

Aprobar Concepto de Solución

4. ELABORACIÓN DEL PROYECTO Determinar el proyecto preliminar 1. Determinar los puntos de orientación para elaborar la forma. Determinar las medidas principales 2. Disponer, asumir, elaboración de la forma aproximada, dimensionado en parte 3. Determinar el tipo de material, clases de procesos de fabricación, tolerancias y calidad del acabado superficial en cada uno de los casos 4. Examinar las zonas de la configuración débil 5. Representar el proyecto preliminar 6. Determinar el proyecto preliminar óptimo (Mejorar, Evaluar, Decidir, Verificar)

Aprobar Proyecto Preliminar Óptimo Proyecto Preliminar Óptimo

5. PROYECTAR Determinar el proyecto definitivo

Fig. 3.1: Elaboración del proyecto: Proyecto Preliminar ELABORACIÓN DEL PROYECTO (PROYECTAR) En esta fase del diseño se llegará a desarrollar un proyecto definitivo a partir de la estructura de construcción óptima encontrada en la fase anterior. Esta fase consta de dos etapas:   4.

Proyecto preliminar Proyecto definitivo

DETERMINAR EL PROYECTO PRELIMINAR

Los datos de entrada de esta etapa son: 

La lista de exigencias



La estructura de funciones



El bosquejo del concepto de solución.

2

Lo que se persigue en esta etapa es elaborar una descripción aproximada de la construcción del sistema técnico, es decir, al final de la etapa se debe obtener un documento de diseño en el cual se encuentre plasmado en un bosquejo del proyecto preliminar. El proyecto preliminar deberá ser representado siguiendo la configuración del sistema técnico desarrollado en la fase anterior (representación icónica *). Es decir, en la elaboración del proyecto se debe aplicar el concepto de solución. Al elaborar el proyecto se debe lograr todos los datos para fabricar o adquirir los elementos que lo constituyen.

El diseñador en esta etapa debe configurar todas las piezas, así como fijar su disposición entre ellas. Para esto es necesario: •

Determinar las medidas principales

•

Averiguar las relaciones de espacio

•

Calcular las medidas de las piezas

•

Escoger los materiales

•

Completar los conceptos de solución

•

Determinar los procesos de fabricación

•

Configurar todas las piezas y sus uniones

•

•

Determinar los circuitos eléctricos de potencia

•

Determinar la estrategia de control y la automatización del sistema

•

Determinar los circuitos eléctricos y electrónicos de control Determinar los grupos constructivos

•

Determinar las piezas a adquirir

•

Analizar los puntos débiles

•

Evaluar y escoger las mejores soluciones

Para poder proyectar adecuadamente se debe seguir las siguientes reglas básicas 1): 

Claridad: Uso adecuado de los conocimientos de la física y la tecnología, tales como: Dinámica, cinemática, mecánica de fluidos, etc.



Simpleza: Economía en la fabricación y en el uso. Ej. Fabricación simple, montaje simple, poco peso, bajos costos de mantenimiento y funcionamiento, etc.



Seguridad: Seguridad para las personas, máquinas y el medio ambiente

3

* Representación icónica: por ejemplo para representar un cilindro neumático solo será necesario dibujar el vástago y el cilindro.

Satisfacción de las funciones técnicas, con la física y la tecnología

CLARIDAD

Mecánica Electricidad Cinemática Control Termodinámica Fluidos, etc.

Economía en la fabricación y en el uso

SIMPLEZA

Concepto simple Fabricación simple Montaje simple Bajos costos de operación Bajos costos de mantenimiento

PRODUCTO

Para las personas, la máquina y el medio ambiente

SEGURIDAD

Seguridad de funcionamiento Seguridad ante sobrecargas Resistencia al desgaste Mantenimiento Seguridad del medio ambiente

Reglas básicas para proyectar

4

4.1

Determinación de los puntos de orientación para la elaboración de la forma del proyecto. Determinar las medidas principales

En este paso se debe encontrar las medidas del proyecto en forma aproximada. Como puntos de partida para configuración de los elementos o del sistema mismo se deben fijar algunos puntos de orientación. (Dimensiones, fuerzas, energía, etc.). Estos puntos de orientación se pueden encontrar en los sistemas técnicos con los cuales trabajaría el sistema en diseño, en las limitaciones humanas (ergonomía) y en las exigencias del sistema a diseñar. En este punto se deberá tener en cuenta las normas (Ej. Normas ISO, DIN, INDECOPI, NFPA, etc.), así como también la comparación con sistemas parecidos que pueden servir de ayuda. Se considera además que la experiencia del diseñador también juega un papel importante. Se harán cálculos aproximados de resistencia de materiales para determinar las dimensiones; la elaboración de la forma del proyecto no debe de ninguna manera responder a un cálculo detallado de sus elementos. Los cálculos aproximados permiten determinar si la máquina a diseñar cumplirá con la lista de exigencias en lo que se refiere a cantidad y si es necesario o no descartar alguno de los conceptos de solución. Para esta etapa se pueden emplear información comercial de sistemas que se integran al proyecto (motores, reductores, cilindros neumáticos, piezas normalizadas, etc.). 4.2

Disponer, asumir, elaboración de la forma aproximada (Dimensiones en parte).

A partir del bosquejo del concepto de solución uno puede diseñar la disposición de las piezas (Ensamble preliminar). Las posibilidades de disposición son numerosas, se considera sin embargo la decisión sobre la disposición como el primer punto importante en el proyecto preliminar. Estas disposiciones dependerán de las características del producto que tendría que procesar la máquina a diseñar, de las solicitaciones a las que estaría sometida la máquina y de las limitaciones humanas.

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El segundo punto importante es la configuración básica de cada una de las piezas. Cuando respondemos las siguientes preguntas: -

¿Qué significa configuración o elaboración de formas? y,

-

¿A través de qué se define la configuración o la forma de un cuerpo?

Las respuestas nos conducen a reglas o elementos básicos que ayudan a la elaboración de las formas de un cuerpo, así como también a su disposición. Estas reglas son: - Cambio de forma de las superficies: Ej.: cambiar de un eje estriado a usar eje ranurado. - Cambio de posición: Posición relativa de una superficie con respecto a las otras. - Cambio de número: Número de superficies que limitan la pieza, cuerpos, etc., Ej.: aumentar cantidad de chavetas. - Cambio de dimensiones: Dimensiones de las superficies. Ej.: Eje con mayor diámetro. - Cambio de material: Materiales más resistentes. Las mismas reglas antes mencionadas se pueden emplear tanto para la configuración de piezas en forma individual, así como para las piezas en

conjunto (ensamble

preliminar). También se puede recurrir en el momento de configurar a divisiones de las funciones, división de las cargas y la autoayuda. También hay la posibilidad de integrar(fusionar) funciones. Esta etapa es iterativa y se puede realizar muchas veces dando lugar a variantes. 4.3

Determinar el tipo de material, proceso de fabricación, tolerancias y calidad acabado superficial de cada uno de los componentes.

Por lo general no es necesario para el proyecto preliminar fijar completamente las características de diseño antes mencionadas. La excepción a esta regla son las superficies de contacto, donde a menudo los datos del material se recomiendan cuando se trata de una propiedad fijada.

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También, aunque sin mucha fuerza de decisión en el proyecto preliminar, la forma de los elementos de construcción implícitamente fija los procesos de fabricación así como su montaje. La selección del material o algunas propiedades del diseño se van perfilando en forma iterativa, sin embargo una decisión definitiva (con cálculos aproximados) no es posible, ni tampoco indispensable en esta etapa. Las anotaciones sobre los bosquejos pueden ser una ayuda para registrar las propiedades de las piezas cuando sea necesario. 4.4

Examinar las zonas de deficientes o débil configuración

En cada sistema técnico existen muchas configuraciones y cada configuración tiene determinadas características. Considerando los diferentes puntos de vista se puede dar lugar a una variedad de soluciones parciales, las cuales a su vez, juegan un papel importante en la solución total o tienen una gran influencia en el proceso de optimización. En esta etapa del diseño es difícil que se tengan todas las configuraciones adecuadas, es muy probable que se tengan zonas con configuraciones deficientes (configuraciones no totalmente satisfactorias) o no confiables. Esto no debe impedir que el proceso de diseño continúe. Lo importante es reconocer los problemas y las deficiencias en las soluciones para iniciar la búsqueda conciente o inconciente de una mejor solución. Se le debe dedicar especial interés a las características de cada configuración, pues estas nos permitirán encontrar el proyecto preliminar.

Esto nos brindará

la

transparencia suficiente para poder evaluar las soluciones. 4.5

Representar el proyecto preliminar

La representación de una estructura aproximada se hace a través de un bosquejo del proyecto. Este debe ser limpio y hecho a mano alzada. Las proyecciones pueden ser diferentes, se pueden utilizar vistas así como también proyecciones isométricas. Para representar un proyecto preliminar se deben seguir las reglas que a continuación se mencionan: REGLAS BÁSICAS PARA HACER BOSQUEJOS

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Y DIBUJOS A MANO ALZADA 1.

No usar papel cuadriculado Todo diseñador que hace sus dibujos en papel milimetrado o cuadriculado cae en la tentación de contar los cuadritos y más o menos dibujar a escala. Cuando uno hace un bosquejo no se necesita hacer nada exacto, en todo caso es más fácil hacer un dibujo a escala en el tablero o en computadora. Para dibujos a mano alzada los cuadritos no son útiles.

2.

No usar lápiz ni gomas de borrar Se utiliza el lápiz normalmente para hacer líneas suaves sobre las que después se dibujarán líneas visibles borrándose finalmente las líneas sobrantes. Por esto último, se producen manchas indeseables lo que ocasiona que al final obtengamos un dibujo poco claro. Por esta razón se debe dibujar desde el principio con líneas fuertes y si algo sale mal empezar todo de nuevo. Con la práctica se logran dibujos rápidos al primer intento.

3.

No usar plantillas de círculos (compás) ni regla graduada Por lo general hacer círculos y/o elipses a mano alzada es muy difícil, es sólo cuestión de práctica para obtener buenos resultados. Las longitudes de las piezas no necesitan ser exactas cuando se trata de un bosquejo.

Según estas 3 primeras reglas se deduce que los implementos del diseñador son: 

Papel blanco A4



Lapicero 0,5mm (0,35)



Tinta blanca de corrección

Se pueden utilizar también otros formatos de papel, transparente o de colores. Las partes bien logradas de dibujos complicados se pueden fotocopiar, pegar y seguir adelante con el bosquejo por lo que esta permitido utilizar tijeras y pegamento. Otras reglas para bosquejar: Las reglas que siguen a continuación sirven para la ejecución de bosquejos.

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4.

Procurar mantener una densidad uniforme de información. Pensar que en las reducciones se pueden perder los detalles pequeños. Se puede recomendar seguir las siguientes pautas:

5.



Ampliar pequeños rebajes



Acortar grandes longitudes



Escoger un tamaño de letra uniforme



Distribuir las medidas uniformemente



Llenar la hoja



Dejar un marco (sobre todo en el lado de donde se encuaderna)

Escoger las secciones y/o detalles apropiados. Los detalles pueden ser importantes, pues con su ayuda no es necesario hacer dibujos grandes. Las secciones y/o detalles se pueden apreciar mejor si uno usa adecuadamente el espacio disponible. No se debe abusar de los detalles, pues en todo caso es preferible usar una representación más grande en la misma pieza. Tener en cuenta que el número de vistas y/o cortes debe ser el apropiado para representar un conjunto de piezas o una sola pieza. Así también el número de cotas debe ser menor que el que se usa en un dibujo normal, se deberán colocar sólo las medidas necesarias. Es aconsejable hacerse las siguientes preguntas: ¿Qué lugar está disponible? ¿Qué es lo que quiero representar? ¿Cómo puedo mantener la densidad de información uniforme?

6.

Reducir el número de líneas Un objeto se debe representar con las líneas necesarias y es más claro mientras menos líneas contengan. Se pueden colocar líneas ocultas siempre y cuando estas aclaren un detalle importante.

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7.

Ordenar la información La información que corresponde a los dibujos, como tolerancias, medidas, material, procesos de fabricación, medidas principales, indicaciones de montaje deben ir en el dibujo; pero fecha de entrega o precio no deber ir. Entonces en el dibujo se debe colocar sólo la información que se desea transmitir, la cual debe estar claramente representada de tal manera que cualquiera la pueda entender. “El dibujo debe ser un idioma universal”.

8.

Empezar muchas veces Cuando 2 ingenieros discuten un problema de diseño, aparecen una serie de bosquejos que representan las ideas. Es recomendable que las ideas no se borren, cualquier nueva idea o mejora debe hacerse en un nuevo papel. Toda nueva idea es bienvenida, pero no toda nueva idea trae consigo una mejora.

4.6

Determinar el proyecto preliminar óptimo (Mejorar, Evaluar, Decidir y Verificar)

En esta etapa ya se pueden evaluar las alternativas del proyecto, porque las características del diseño están ya fijadas. En estos bosquejos se pueden observar claramente los criterios escogidos. Es posible obtener o estimar los datos de factores que influyen en los costos de fabricación (Ej. peso, tamaño, proceso de manufactura, etc.); entonces ya es posible de encontrar un estimado aproximado del costo. La evaluación de los puntos más débiles según los puntos de vista del diseñador permite efectuar algunas mejoras. A este nivel ya es posible practicar un primer análisis técnico económico de las alternativas (VDI 2225 parte 1). En los formatos adjuntos se explica en forma simplificada la manera de hacer las evaluaciones aplicando la recomendación VDI 2225.

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Para aplicar la calificación se establecen criterios de evaluación tanto técnicos como económicos y se le da puntaje del 1 al 4 para cada alternativa. Como se puede observar al momento de escoger los criterios de evaluación, sean estos técnicos o económicos, no se les puede dar el mismo peso ya que estos tienen diferentes niveles de importancia en el proyecto. Por eso se debe hacer una primera evaluación sin pesos ponderados (igual peso para todos los criterios) y luego evaluar nuevamente lo mismo pero con pesos ponderados y nos daremos cuenta que los resultados difieren. Esta última evaluación puede confirmar o desvirtuar la calificación inicial total que recibe cada alternativa. Para poder apreciar la calificación de las alternativas se someten estas a una tabla donde se representan los valores relativos alcanzados por cada una con respecto a la solución ideal. Sólo se tendrán en cuenta las alternativas que hayan alcanzado valores mayores a 0,6. Las alternativas que se acerquen más al valor ideal son las mejores. También se debe preferir las alternativas que se encuentren más cerca de la línea diagonal, ya que ello representa que cuenta con un mejor balance técnico-económico. Las alternativas se pueden calificar de la siguiente manera: Valor Técnico

Valor Económico

xi 0,8 0,7 0,6 o menos

Yi 0,8 0,7 0,6 o menos

Calificación muy buena solución buena solución solución deficiente

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A continuación se indicará como encontrar los valores

xi

e

yi

DISEÑO MECÁNICO – EVALUACIÓN DE PROYECTOS

Área de Diseño

Valor Técnico ( xi ) Proyecto: p : puntaje de 0 a 4 ( Escala de valores según VDI 2225) 0 = No satisface, 1 = Aceptable a las justas, 2 = Suficiente, 3 = Bien, 4 = Muy bien (ideal)

g : es el peso ponderado y se da en función de la importancia de los criterios de evaluación Criterios de evaluación para diseños en fase de conceptos ó proyectos Solución 1 Solución 2

S1

Variantes de Concepto / Proyectos

Nr.

Criterios de evaluación

g

p

Solución i

S2

gp

p

…Si

gp

p

Solución ideal

gp

S ideal p

gp

1 2 3 4 5 6 7 8 … Puntaje máximo

 p ó  gp

Valor técnico xi Orden

p 1  p 2  p 3 ... p n _ p 1  p 2  p 3 ... p n p n  1 xi   np max p max p max

xi 

g 1 p 1  g 2 p 2  ...  g n p n  ( g 1  g 2  ...  g n ) p max

1

12

DISEÑO MECÁNICO – EVALUACIÓN DE PROYECTOS

Área de Diseño

Valor Económico ( yi ) Proyecto: p : puntaje de 0 a 4 ( Escala de valores según VDI 2225) 0 = No satisface, 1 = Aceptable a las justas, 2 = Suficiente, 3 = Bien, 4 = Muy bien (ideal)

g : es el peso ponderado y se da en función de la importancia de los criterios de evaluación Criterios de evaluación para diseños en fase de conceptos ó proyectos Solución 1 Solución 2

S1

Variantes de Concepto / Proyectos

Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8

Criterios de evaluación

g

p

Solución i

S2

gp

p

…Si

gp

p

gp

Solución ideal

S ideal p

gp

… Puntaje máximo

 p ó  gp

Valor económico yi Orden

p  p2  p3 ... pn yi  1  np max

yi 

p1  p2  p3 ... pn _ p n  1 p max pmax

g 1 p 1  g 2 p 2  ...  g n p n  ( g 1  g 2  ...  g n ) p max

1

13

Valor Económico

y

1,0 0,9 0,8 S3

S4

0,7 0,6 S1 0,5 S2 0,4 0,3 0,2 0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9 1,0

Valor Técnico

x

Diagrama de Evaluaci...